CN1842391A - 冲钻放电加工法和装置 - Google Patents

Abstract

用于分布放电加工的方法和装置，放电加工法从工件中去除具有尺寸(d)和去除表面积(S)的材料。以尺寸(d)和去除表面积(S)为基础来获得要去除的材料去除体积(V)。设置加工条件，并且获得与所设定的加工条件相对应的去除体积速率(Vm)。以去除体积(V)和去除体积速率(Vm)为基础来设置加工时间(T)。当从放电加工的开始已经过加工时间(T)时，完成放电加工。

Description

冲钻放电加工法和装置

技术领域

本发明涉及到冲钻放电加工法，该方法是用来通过使工具电极和导电工件之间形成的微小间隙中产生放电，从而形成所需的工件腔。

背景技术

在进行放电加工之前，要制作出工具电极，该电极具有的形状是所要形成的工件腔的互补，而该电极具有的尺寸与工件腔相比较略微减少。工具电极的位置要充分接近工件从而引起放电。微小间隙中要充满介电流体。

如果在间隙上施加功率脉冲，就要经过一定的延迟时间产生放电，并且电流开始流过间隙。该延迟时间取决于间隙的状态，而且是不可预测的。如果停止在间隙上施加功率脉冲，间隙内就要恢复为绝缘状态。因此，间隙中的放电是间断产生的，并且每次都会从工件上去除少许材料。这些去除的材料块被称为碎片，并且通过介电流体从间隙中被洗除。间隙要被限定为某一尺寸，该尺寸能够有效地引发放电。间隙的尺寸是几μm到几十μm。工具电极每次都要响应工件材料的去除而在z轴方向朝工件移动少许距离。

常规冲钻放电加工装置包括计算机数字控制器和自动程序设计装置。计算机数字控制器根据NC程序控制工具电极的移动和功率脉冲的供应等等。表示所要形成的工件腔的尺寸和表面粗糙度，工具电极和工件的材料性质等内容的数据被输入到自动程序设计装置中。以这种数据为基础，自动程序设计装置自动生成NC程序，用来在最短的加工时间内形成工件腔。工件腔的形成过程被分为多个步骤，其中在这些步骤中设置了功率脉冲条件和进给量。进给量是工具电极在z轴方向朝工件前进的距离。如果通过设置的进给量将工具电极移动，该过程就会根据NC程序继续进行下一步骤。在这一次要改变功率脉冲的设置条件。功率脉冲条件包括，例如脉冲导通时间，脉冲截止时间，电流峰值和电压。在第一步中，进给量是起始点为参考位置的一段距离。参考位置通常是在z轴方向与工件上表面分离一段距离的位置，其中该距离是能够引发放电的间隙宽度。在第一步中，向间隙提供很大的功率脉冲，并且在工件上粗略加工工件腔。如果在间隙上提供很大的功率脉冲，就会缩短加工所需时间，但是加工表面会不合需要的粗糙。第二步中的进给量是在第一步完成时以工具电极位置为起始点的一段距离。第三步中的进给量是在第二步完成时以工具电极位置为起始点的一段距离。当过程进入到该过程的第二步和第三步时，施加到间隙上的功率脉冲会变得较小。在最后的完成步骤中，为了使工件腔的表面粗糙度微小，采用了极小的功率脉冲。在最后的完成步骤中，工件腔被理想地形成为所需尺寸。

然而，事实上，对工件上过剩材料的不合需要的去除构成了重大的错误，这就意味着工件腔所形成的尺寸要比所需尺寸小几μm到十μm以上。工件腔的尺寸是在其形成以后测量的。在测量之前要清洗工件，并且将附在工件上的碎片完全清除。误差就是以这种方式在测量尺寸和所需尺寸之间得到的。存在具有几μm到十μm以上的尺寸的过剩材料的事实可能不是主要问题。但是，在近些年来，几μm或更小的尺寸精确度已成为必要。在特定产品的加工中，1μm的尺寸精确度已成为必要。在不影响表面低粗糙度的情况下去除过剩材料的第二过程，被称为“附加加工”。

图5示出附加加工之前的工具电极17和工件18。Z表示要去除的材料尺寸，该尺寸是从几μm到大于十μm。A表示在最后的完成步骤结束时的工具电极位置。在NC程序中设置与Z数值相等的进给量dZ。在附加加工中，通常会出现一个问题，即，即使将工具电极17从位置A移动到位置B，NC程序还是会在不引发放电的情况下终止。可以引发放电的间隙尺寸主要取决于功率脉冲的大小。但是，即使是在相同的功率脉冲条件下，可以引发放电的间隙尺寸由于碎片的数目也会不同。数值H表示最后的完成步骤结束时的间隙尺寸。数值G表示附加加工开始时的间隙尺寸。工具电极和工件之间产生的放电被称为第一放电。通过微小碎片产生的放电被称为第二放电。在加工期间，碎片漂浮在间隙中或附在工件上。众所周知的是，如果较大数目的碎片增加了出现的第二放电，间隙尺寸就会增加。在附加加工开始时，由于测量时的清洗，几乎没有任何碎片。因此，如果数值H和数值G之间的误差e大于数值Z，那么就根本不能实现放电加工。

日本专利公开2001-9639公开了为避免间隙尺寸的变化而使导电性粉末附在工件表面上。

日本专利公开60-3933公开了一种装备了计时电路，能够设置加工时间的放电加工机器。在去除非常细小的材料的最后完成步骤中，可以在加工到达设定时间时终止加工，取代了使用进给量。

本发明的目标是要提供冲钻放电加工法和装置，该方法和装置是用来通过利用放电而准确去除具有几μm到十μm以上的极小尺寸的材料。

发明内容

为了实现上述目标，本发明的放电加工法一方面包含下列步骤：设置加工条件，获得去除体积(V)，获得与设置的加工条件相对应的去除体积速率(Vm)，以去除体积(V)和去除体积速率(Vm)为基础设置加工时间(T)，在所设置的加工条件下放电加工工件，以及当从放电加工的开始已经过所设置的加工时间(T)时，完成放电加工。

根据本发明的另一方面，放电加工法包含下列步骤：设置加工条件，获得去除体积(V)，获得与设置的加工条件相对应的每单次放电的去除体积(Vp)，以去除体积(V)和每单次放电的去除体积(Vp)为基础设置放电次数(P)，在所设置的加工条件下放电加工工件，以及当从放电加工的开始已完成所设置的放电次数(P)时，完成放电加工。

优选以要去除的材料尺寸(d)和去除表面积(S)为基础来获得去除体积(V)。

根据本发明的另一方面，通过使用工具电极来加工工件的冲钻放电加工装置包含：

装置(1)，用来向工具电极和工件之间形成的间隙提供电流脉冲，其中该电流脉冲具有0.2A-2A的电流峰值和0.5微秒到5微秒的脉冲导通时间；

存储装置(40)，用来存储使去除体积速率(Vm)与加工条件相关联的数据库，以及存储去除体积(V)；

输入装置(20)，用来设置加工条件；

计算装置，用来从存储装置中提取与所设置的加工条件相对应的去除体积速率(Vm)，以及以去除体积(V)和去除体积速率(Vm)为基础计算加工时间(T)；以及

当从放电加工的开始已经过加工时间(T)时，用来结束放电加工的装置。

根据本发明更深层次的方面，通过使用工具电极来加工工件的冲钻放电加工装置包含：

装置(1)，用来向工具电极和工件之间形成的间隙之间提供功率脉冲，其中该功率脉冲具有0.2A-2A的电流峰值和0.5微秒到5微秒的脉冲导通时间；

存储装置(40)，用来存储使每单次放电去除体积(Vp)与加工条件相关联的数据库，以及存储去除体积(V)；

输入装置(20)，用来设置加工条件；

计算装置，用来从存储装置中提取与所设置的加工条件相对应的每单次放电去除体积(Vp)，以及以去除体积(V)和单次放电去除体积(Vp)为基础计算放电次数(P)；

当从放电加工的开始已完成放电次数(P)时，用来结束放电加工的装置。

根据本发明，即使当在相同功率脉冲条件下出现的间隙尺寸变化量大于进给量时，仍然可以去除极小尺寸的材料。

附图说明

图1是本发明的冲钻放电加工装置的结构图。

图2是图1中的门信号发生器的结构图。

图3是示出本发明的冲钻放电加工法的流程图。

图4是示出本发明的冲钻放电加工法的流程图。

图5是附加加工之前的工具电极和工件的横截面图。

具体实施方式

现在参照图1，图2，图3，图4和图5来对冲钻放电加工装置和加工法进行详细说明。

如图1所示，放电加工装置除了包括冲钻放电加工机器以外，还包括电源1和控制器2。冲钻放电加工机器包括附在工具电极17上的头部3，以及平台4，其中工件18在其上面得到固定。头部3被装备在立柱(未示出)上，并且在Z轴方向可通过线性伺服马达91来移动。平台4被固定在鞍座5上，并且在X轴方向可通过线性伺服马达92来移动，而鞍座5被固定在底座上，并且在Y轴方向可通过线性伺服马达93来移动。Z轴是垂直轴，而正交的XY轴是水平轴。

电源1是能向间隙反复提供具有0.2A-2A的电流峰值和0.5微秒到5微秒的脉冲导通时间的电流脉冲装置的一个实例。电源1包括开关电路和与开关电路串联的直流电源16。开关电路是由串联电路11，12，13，14，15-1-15-N组成，这些串联电路具有串联在一起的开关元件SW，限流电阻元件R，和防倒流二极管D。多个串联电路11，12，13，14，15-1-15-N都是相互平行地连接的。直流电源16的一端与工具电极17连接，而另一端与工件18连接。直流电源16的输出电压可以被设定为90V，120V，150V和200V。通过使用低电感电缆，例如屏蔽电缆或同轴电缆将电源1和冲钻放电机器连接起来。流过间隙的电流脉冲的脉冲导通时间和电流峰值是由多个开关元件SW的开/关操作来确定的。开关元件SW是能够以低于1微秒，并且优选为500纳秒的高速开/关操作的场效应晶体管。这使得可以向间隙提供具有0.5微秒-5微秒的脉冲导通时间的电流脉冲，并且可以增加重复放电的频率。

串联电路15-1-15-N分别包含30Ω的限流电阻元件R，并且可以在从粗制步骤到最后完成步骤中使用。例如，如果仅有四个串联电路15-1-15-4与90V直流电源16连接，那么就可以向间隙提供具有12A的电流峰值的电流脉冲。

串联电路11-14是用来向间隙提供具有2A或小于2A的电流峰值的电流脉冲的电路。串联电路11-14分别包含450Ω，240Ω，120Ω和60Ω的限流电阻元件。借助于串联电路11，从90V的直流电源16向间隙提供具有0.2A的电流峰值的电流脉冲。借助于串联电路12，13和14，从直流电源分别向间隙提供具有大约0.37A，0.75A和1.5A的电流峰值的电流脉冲。串联电路11-14可以控制流过间隙的单个电流脉冲能量，使其保持不变，因此适合于附加加工。例如，利用铜工具电极，在具有5×10mm²的表面积的钢工件上进行附加加工。在这种情况下，通过向间隙提供具有1微秒的脉冲导通时间和0.4A的电流峰值的电流脉冲，以0.08微米/分钟-0.1微米/分钟的速率去除材料。

连接有150Ω或更高的电阻元件的200V或更高的附加直流电源(未示出)，优选与直流电源16平行连接。该附加直流电源的使用使间隙扩大，并且有稳定附加加工的效应。另外还使从向间隙施加电压到产生放电的延迟时间尽可能的小。

控制器2包括计算装置10，输入装置20，显示装置30，存储装置40，门信号发生器50，位置识别装置80和马达控制器90。计算装置10主要是主控制电路，该电路是由至少一个CPU，一个高速缓冲存储器，一个ROM，一个CPU控制器和一些接口组成。计算装置10优选地包含计算机辅助设计系统，并且具有工件腔或工具电极17的三维图形数据。输入装置20包含键盘，开关，鼠标和作为存储介质的驱动装置。显示装置30是CRT或LCD。存储装置40具有存储模块(SDRAM)和硬盘驱动。马达控制器90根据来自计算装置10的运动命令数据来控制线性伺服马达91，92，93。位置检测信号是从附在冲钻放电机器上的线性标度(未示出)发送到马达控制器90和位置识别装置80中。位置识别装置80将检测位置与所设定的进给量作比较。

控制器2还包括至少一个加工时间计数器60和多个放电计数器70。加工时间计数器60包含，例如比较器，加法器和时钟脉冲发生器。多个放电计数器70包含，例如比较器和计数器。如果放电检测器6检测到放电所引起的电流脉冲已开始流过间隙，那么该检测器就会产生检测信号S2。检测信号S2被提供给计算装置10，门信号发生器50和多个放电计数器。

现在要参照图2来对门信号发生器50做详细描述。门信号发生器50包括选择电路51，用来计算脉冲截止时间的截止时间计数器52，和用来计算脉冲导通时间的导通时间计数器53。选择电路51主要包含存储电路，例如存储器。计算装置10根据电流峰值的设定值，向选择电路51提供选择数据ST。根据选择数据ST，选择电路51从门信号G1-Gn中输出一个或多个信号。选择电路51的每个输出端都通过AND门54连接到开关元件SW的门。计算装置10向截止时间计数器52提供表示脉冲截止时间的设定数值的数据OF。当导通时间计数器53的输出信号O1关闭时，截止时间计数器52开始计数。当计数达到截止时间的设定数值时，截止时间计数器52的输出信号S1开启，并且计数被归零。计算装置10向导通时间计数器53提供表示脉冲导通时间的设定数值的数据ON。当截止时间计数器52的输出信号S1开启时，导通时间计数器53开始计数，并且向AND门54提供信号O1。当计数达到导通时间的设定数值时，导通时间计数器53的输出信号O1关闭，并且计数被清零。输出信号O1的反信号O2在这次开启，并且使截止时间计数器52开始计数。计数装置10将数据OC选择性地提供给导通时间计数器53，并且导通时间计数器53装备有数据选择器(未示出)。如果数据OC被提供给导通时间计数器53，那么当接收到检测信号S2时，导通时间计数器53开始计数。

存储装置40中以数据库格式存储了每单次放电的去除体积VP(毫米³)和去除体积速率Vm(毫米³/分钟)。每单次放电的去除体积VP和去除体积速率Vm与加工条件相关联。加工条件包括工具电极17和工件18的材料，以及功率脉冲条件。位置Vp是从单次放电的工件18上去除的材料体积。去除材料速率Vm是单位装置时间的去除材料体积。Vp和Vm的数值都是通过实验方法得到。

现在要参照图3来对本发明的冲钻放电加工法进行详细描述。该方法是在附加加工过程中利用加工时间计数器60来执行的。

在步骤S1中，利用输入装置20来设定与要去除的材料尺寸Z相等的进给量d。如图5所示，工具电极17被移动到与工件18间隔间隙尺寸G的的位置C处。在步骤S2中，利用输入装置20来设定去除表面积S(毫米²)，并且在存储装置40中存储所设定的数值。或者，计算装置10可以以工件腔或工具电极的三维图形数据为基础来设定去除表面积S，并且在存储装置40中存储所设定的数值。在不减少最后完成步骤中形成的表面的较小表面粗糙度的情况下，设定去除1μm到10μm以上，并且在多数情况中是1μm到5μm的材料的加工条件。这些加工条件包含5微秒或小于5微秒的脉冲导通时间，以及0.2A-2A的电流峰值。所设定的进给量d和加工条件在NC程序中得到描述，并且存储在存储装置40中。在步骤S3中，计算装置10从存储装置40中读取我们的去除表面积S和进给量d，并且计算去除体积V(毫米³)。通过下列等式来计算去除体积V。

V＝S·d

在步骤S4中，计算装置10从存储装置40的数据库中提取与所设定的加工条件相对应的去除体积速率Vm。在步骤S5中，计算装置10还要提取体积V，并且通过下列等式，计算去除体积V的材料去除所需的加工时间T(分钟)。

T＝V/Vm

计算装置10在计数器60内的比较器数据终端设定数值T。在步骤S6中，计算装置10将NC程序译码，向门信号发生器50提供数据ON，OF和OC，并且向马达控制器90提供命令信号。电源1的电压以这种方式通过串联电路11-14施加在间隙上，并且在所设定的条件下开始放电加工。一旦计算装置10从放电检测器6接收到检测信号S2，计数器就要计算时钟脉冲。在步骤S7中，当计数达到设定值T时，比较器要向计算装置10提供完成信号。计算装置10响应完成信号而终止了加工时间计数器60的操作，并且停止向马达控制器90提供命令信号。计算装置10还要删除门信号发生器50的选择电路51中的选择信号ST。通过这种方式完成了放电加工。

现在要参照图4来对本发明的冲钻放电加工法进行详细描述。在附加加工过程中，通过使用多个放电计数器70来实现该方法。

步骤1-3的说明已经给出，因此就省略了。在步骤S8中，计算装置10从存储装置40的数据库中提取与所设定的加工条件相对应的每单次放电的去除体积Vp。在步骤S9中，计算装置10还要提取去除体积V，并且通过下列等式计算去除体积V的材料去除所需的放电次数P。

P＝V/Vm

计算装置10在计数器70内的比较器数据终端设定数值P。在步骤S10中，与步骤S6相同，电源1的电压通过串联电路11-14施加在间隙上，并且在所设定的条件下开始放电加工。计数器70对检测信号S2进行计数。在步骤S11中，当放电次数的计数达到设定值P时，比较器要向计算装置10提供完成信号。计算装置10响应完成信号而终止了放电计数器70的操作，并且停止向马达控制器90提供命令信号。计算装置10还要删除门信号发生器50的选择电路51中的选择信号ST，通过这种方式完成了放电加工。

为了描述本发明的要点和实际应用，选择了这些实施例。根据上文的说明，可以做出各种改良。本发明的范围是由附加权利要求的范围来限定的。

Claims (6)

1.一种放电加工法，包含下列步骤：

设定加工条件；

获得去除体积(V)；

获得与所设定的加工条件相对应的去除体积速率(Vm)；

根据去除体积和去除体积速率设置加工时间(T)；

在所设置的加工条件下放电加工工件；以及

当从放电加工的开始已经过所设置的加工时间(T)时，完成放电加工。

2.根据权利要求1所述的放电加工法，其中根据要去除的材料尺寸(d)和去除表面积(S)来获得去除体积。

3.一种放电加工法，包含下列步骤：

设置加工条件；

获得去除体积(V)；

获得与设置的加工条件相对应的每单次放电的去除体积(Vp)；

根据去除体积(V)和每单次放电的去除体积(Vp)设置放电次数(P)；

在所设置的加工条件下放电加工工件；以及

当从放电加工的开始已完成所设置的放电次数(P)时，完成放电加工。

4.根据权利要求3所述的放电加工法，其中根据要去除的材料尺寸(d)和去除表面积(S)来获得去除体积。

5.使用工具电极来加工工件的冲钻放电加工装置，包含：

用来向工具电极和工件之间形成的间隙之间提供电流脉冲的装置，其中该电流脉冲具有0.2A-2A的电流峰值和0.5微秒到5微秒的导通时间；

存储装置，用来存储使去除体积速率(Vm)与加工条件相关联的数据库，以及存储去除体积(V)；

输入装置，用来设置加工条件；

计算装置，用来从存储装置中提取与所设置的加工条件相对应的去除体积速率，以及根据去除体积和去除体积速率计算加工时间(T)；以及

当从放电加工的开始已经过加工时间(T)时，用来结束放电加工的装置。

6.使用工具电极来加工工件的冲钻放电加工装置，包含：

用来向工具电极和工件之间形成的间隙之间提供电流脉冲的装置，其中该电流脉冲具有0.2A-2A的电流峰值和0.5微秒到5微秒的导通时间；

存储装置，用来存储使每单次放电去除体积(Vp)与加工条件相关联的数据库，以及存储去除体积(V)；

输入装置，用来设置加工条件；

计算装置，用来从存储装置中提取与所设置的加工条件相对应的每单次放电去除体积，以及根据去除体积和每单次放电去除体积计算放电次数(P)；

当从放电加工的开始已完成放电次数(P)时，用来结束放电加工的装置。

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